基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：介紹了一種精密數(shù)字氣壓計(jì)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該方法通過氣壓傳感器獲得與大氣壓相對應(yīng)的模擬電壓值，并經(jīng)過V／F變換輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的氣壓值。用本文所述的方法制成的氣壓計(jì)攜帶方便，操作簡單，精確度高，完全符合設(shè)計(jì)要求。

　　關(guān)鍵詞：氣壓計(jì)；氣壓傳感器；V／F轉(zhuǎn)換器； 單片機(jī)

１　引言

　　氣壓計(jì)是利用壓敏元件將待測氣壓直接變換為容易檢測、傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘?，然后再?jīng)過后續(xù)電路處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的一種設(shè)備。其中的核心元件就是氣壓傳感器，它在監(jiān)視壓力大小、控制壓力變化以及物理參量的測量等方面起著重要作用。運(yùn)用于氣壓計(jì)的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時(shí)的氣壓變化來獲取氣壓值的。

　　氣象學(xué)研究表明，在垂直方向上氣壓隨高度增加而降低。例如在低層，每上升１００ｍ氣壓便降低１０ｈＰａ；在５～６ｋｍ的高空，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低７ｈＰａ；而當(dāng)高度進(jìn)一步增加時(shí)，即到９～１０ｋｍ的高空之后，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低５ｈＰａ；同樣，若空氣中有下降氣流時(shí)，氣壓會增加；若空氣中有上升氣流時(shí)，作用于空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。

２　氣壓計(jì)的結(jié)構(gòu)

　　本文研究的氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)如圖１所示。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號；以便用單片機(jī)接收該脈沖信號，并根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計(jì)算出所對應(yīng)的氣壓值，最后在單片機(jī)控制下由ＬＥＤ顯示出來。

　　本氣壓計(jì)能夠在氣壓傳感器的線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量相應(yīng)氣壓值。需要說明的是，其測量值是絕對氣壓值。本文研究的氣壓計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　●測量范圍：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；

　　●測量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；

　　●顯示精度：０．１％，由４個(gè)８段ＬＥＤ顯示實(shí)現(xiàn)；

　　●工作溫度范圍：０～８５℃；

　　●電源電壓：９Ｖ。

３　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，需要考慮穩(wěn)定性、復(fù)雜程度、造價(jià)和調(diào)試的難易程度等因素。圖１所示框圖中的每一部分就是一個(gè)單元電路，可完成各自的功能。模塊之間沒有復(fù)雜的信號傳輸，且干擾很少，因而系統(tǒng)整體比較穩(wěn)定。

３．１ 氣壓傳感器

　　氣壓傳感器在氣壓計(jì)中占據(jù)核心位置。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)測量精度、測量范圍、溫度補(bǔ)償、測量絕對氣壓值等幾個(gè)性能指標(biāo)來選取氣壓傳感器。

　　由于該氣壓計(jì)顯示的是絕對氣壓值，因而需要選取測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。同時(shí)為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應(yīng)帶有溫度補(bǔ)償。

　　為此，筆者選用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ氣壓傳感器來測量絕對氣壓值。該傳感器的溫度補(bǔ)償范圍為－４０～＋１２５℃；壓力范圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范圍為０．３～４．６５Ｖ；測量精度為０．１％ＶＦＳＳ，同時(shí)在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ時(shí)具有良好的線性，具體輸出關(guān)系如下：

　　Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)